Способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путём генерации электромагнитных взаимодействий частиц sio2, кремнийсодержащего газа, частиц fetiо3 и магнитных волн

Способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путём генерации электромагнитных взаимодействий частиц sio2, кремнийсодержащего газа, частиц fetiо3 и магнитных волн

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрохимии и горнорудной промышленности, а именно к способу генерации сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных (ЭМ) взаимодействий для извлечения полезных элементов и промышленной переработки кремний и титан содержащего сырья и другого минерального сырья в сыпучем виде, металлизации железорудных окатышей. Изобретение может быть применено для разрушения, разложения трудно разлагаемых минералов при обогащении в горнорудной промышленности и рудоподготовке. Изобретение предлагает создание способа сильных электромагнитных взаимодействий с элементами минералов SiO₂ и TiO3 с целью их разложения безкислотными способами, без экологически вредных производств.

Уровень техники

Учитывая широкий спектр применения способа генерации взаимодействий СВЧ магнитных и электрических волн и полей для промышленного применения, в настоящем описании он разъясняется совместно со способом получения кремния и диоксида титана в результате СВЧ окислительно-восстановительных реакций в ЭМ полях и волнах. Для разъяснений здесь будут использоваться известные в литературе способы, сходные с решением настоящего изобретения. В предшествующем уровне техники, на основе большого экспериментального материала, был сделан фундаментальный вывод о резонансной природе взаимодействия электрического, магнитного, ЭМ полей с заряженной частицей. В патенте Узбекистана № IAP 03701 от 13.05 раскрыто, что успех в направлении неограниченного по времени стабильного удержания сгустка заряженных частиц лежит на пути изучения резонансных условий взаимодействия поля и заряженной частицы, обмена энергией между ними.

Из патента США №3286685, опубликованного 22.11.1966 г., известен способ получения кремния химическим паровым осаждением из кремний содержащего газа с добавлением газов водорода и хлора в реакторе псевдокипящего слоя, который носит название хлорсилановой технологии. Этот способ был разработан и внедрен в производство полупроводникового кремния впервые компанией "Сименс", правообладателем вышеуказанного патента США. В указанном патенте США раскрыты процессы и оборудование, в которых кремний осаждается водородным восстановлением одного из силанов (дихлорсилана, трихлорсилана или их смеси) на кремниевом бруске методом электрического резистивного нагрева. Осаждение кремния путем термического разложения силана описывается в патентах США №4148814 (опубликован 10.04.1979 г. ) и №4150168 (опубликован 17.04.1979 г. ). Подобные процессы и оборудование описаны также в патенте США №4900411 (опубликован 13.02.1990 г. )

В вышеуказанном патенте №4148814 и в вышеуказанном патенте №4900411 кремниевый брусок нагревался до ~1000°-1200°C путем резистивного нагрева, в вышеуказанном патенте №4150168 он нагревался до температуры термического разложения около 800°C. Реакторы в обоих вышеуказанных процессах были выполнены из кварцевого или нержавеющей стали куполообразного корпуса, реакторные стенки которого охлаждались до 300°C хладогентом (водой или воздухом), так что кремний не осаждался на внутренних стенках. Недостаток таких реакторов заключался в том в том, что скорость осаждения поликремния была низка, в то время как уровень потребления энергии высок, так как используемый в серийном процессе кремниевый брусок обеспечивал малую площадь поверхности для осаждения.

Для устранения подобного недостатка было предложено проводить процесс в слое флюидизированного материала. В этом процессе кремний из кремний содержащего газа осаждался на кремниевые частички, в то время как кремниевые частички, имеющие огромную площадь осаждения, псевдосжижались кремний содержащим газом и карьер-газом (газом-носителем, транспортирующим газ).

Процесс кипящего слоя, как упоминалось выше, использует в основном способы внешнего нагрева, где температура реактора выше, чем нагреваемых материалов, что приводит к осаждению на стенках.

Данный метод нагрева приводит к высокой степени тепловых потерь в окружающую среду из системы, а также создает трудности для строительства реактора большого диаметра из-за ограниченной мощности нагревательного источника, необходимого для химического парового осаждения (ХПО). ХПО силанов вызывает осаждение кремния на внутренней стенке реактора, в соответствии с чем не только сокращается внутренний объем реактора, но и тепловой режим становится плохо управляемым. В случае кварцевого реактора, он может треснуть в то время, когда реактор охлаждается, из-за разницы в коэффициентах термического расширения кварцевого реактора и осаждающегося кремния. Для промышленного применения кварцевые трубы не пригодны.

Введение внутреннего нагрева взамен внешнего нагрева в систему было предложено как способ уменьшения выше упомянутых недостатков. Однако, в процессе использования внутреннего нагревателя, кремний осаждается на поверхности нагревателя, что делает невозможным использовать данный процесс длительное время. Остаются проблемы, связанные с обслуживанием и заменой поликремниевого резистивного нагревателя, погружаемого в реактор. Нагреватель вызывает некоторые проблемы в создании хорошей флюидизации и добавляет загрязнения (примеси) вследствие прямого контакта с частицами кремния, а также занимает некоторый объем реактора, снижая эффективность процесса.

В настоящее время известны различные конструкции реакторов кипящего слоя для получения чистого поликристаллического кремния, принципиально мало отличающиеся друг от друга. В них кремнийсодержащий газ (тетрахлорид кремния, моносилан, хлорсилан, дихлорсилан, трихлорсилан) или смесь их в сжиженном состоянии, подается из форсунки в реактор снизу. Кипящий слой (псевдокипящий или псевдосжиженный) образуется с помощью вдуваемого под давлением водорода из расположенного рядом отверстия-сопла. Водород, проходя через кремнийсодержащий сжиженный газ, разбивает его на капли, мелкодисперсную взвесь. Взвесь разогревается в зоне нагрева, занимающей определенную высоту по оси цилиндрического реактора, и поднимается в зону реакции, которая располагается выше зоны нагрева. В зоне реакции кремнийсодержащий газ разлагается по эндотермической реакции:

SiO₂+2Cl₂↑+2H₂↑=SiCl₄+2H₂O↑-Q

SiCl₄+2H₂↑=Si+4HCl↑-Q

Образовавшийся свободный, атомарный кремний оседает на охлажденных поверхностях, образуя кристаллическую фазу поли- или монокремния. Осаждение кремния происходит не избирательно, т.е. на любой охлажденной поверхности. Для получения чистого поли- или монокристаллического кремния полупроводникового ил и солнечного качества, отвечающего установленным требованиям, в качестве поверхностей для осаждения используют поликремниевые затравочные частицы, описываемые в патенте Российской Федерации №2340551 (опубликован 10.12.2008) и работе "High Purity Silicon Nanoparticles", J. Nanosci. Nanotech. (2004) Vol. 4, №8: 1039-1044, которые увеличиваются в диаметре - растут, накапливая на себе осажденный кремний. Более тяжелые частицы оседают из кипящего слоя и собираются в коллектор для периодического удаления готового продукта.

В патенте Российской Федерации №2342320 (опубликован 27.12.2008 г. ) в реактор не подаются затравочные частицы, а осаждение кремния при разложении кремний содержащего газа происходит на высокочистом полнили монокристаллическом кремниевом бруске или электроде. Недостатком такого реактора является дискретность его работы: процесс необходимо останавливать для замены кремниевого бруска или электрода на новый. При этом также сложно решаются проблемы с попаданием примесей в готовый продукт со стенок реактора и с поверхности бруска или электрода, на которых кремний осаждается. Для снижения вероятности присоединения кремнием примесей реакция осаждения во многих случаях проводится в среде инертного газа, например, аргона (см. вышеуказанную работу "High Purity Silicon Nanoparticles").

В вышеуказанных патентах №2340551 и работе "High Purity Silicon Nanoparticles", а также в патенте США №7029632 (опубликован 18.04.2006 г. ) ставится задача получения узкого распределения размеров кремниевых частиц и отсутствие в готовом продукте агломератов. Как это сказано в вышеуказанной работе "High Purity Silicon Nanoparticles", скорость осаждения, равномерность, форма функции распределения размеров, процент образования агломератов связаны с равномерностью нагрева кипящего слоя, которая, в свою очередь, определяется конструкцией, физической природой и принципом действия источника тепла. Известны два основных типа источников тепла, применяющихся в реакторах кипящего слоя для получения чистого кремния: 1) использующие резистивный конвекционный и 2) использующие излучение определенного диапазона (разделение это условное, т.к. всегда имеют место три типа передачи тепла - перенос тепла, конвекция и излучение).

Реакторы кипящего слоя для кремния, использующие для нагрева излучение, можно разделить на три группы по типам излучения: теплового диапазона, СВЧ и оптического диапазона - с лазерными источниками. В них энергия электромагнитных волн определенного диапазона, проникая во внутреннюю часть реактора, в зону нагрева и зону реакции, без прямого контакта с кремний содержащим газом и конечным продуктом, нагревает кипящий слой путем поглощения этой энергии. В патенте США №5810934 (опубликован 22.09.1998 г. ) предлагается вводить необходимую для реакции энергию путем фокусированного пучка ЭМ энергии в соответствии с частотным распределением спектра поглощения кремний содержащего газа. Для этого предлагается создать лазерный источник с подстраиваемой к определенному составу кремний содержащих газов частотой лазерного излучения. Например, неодим-иттрий-алюминий-гранатовый лазер Nd:YAG, излучающий на длине волны 1,064 микрона, или CO₂ лазер с длиной волны излучения 10,6 микрон, которые могут быть успешно использованы в трихлорсилановом реакторе, но последний из них не может быть использован для силана. Такой реактор будет слишком дорогостоящим и не отличается стабильной работой из-за необходимости частой, очень тонкой настройки по частоте при изменениях в составе реакционной смеси.

Разнообразные конструкции микроволновых реакторов кипящего слоя для производства чистого поликристаллического кремния предлагаются в ряде патентов, например, в вышеуказанном патенте №4900411, а также в патентах США №№4930442 (опубликован 05.06.1990 г. ), 5597623 (опубликован 28.01.1997 г. ), 5382412 (опубликован 17.01.1995 г. ) и других. Преимущества микроволнового нагрева заключаются не только в отсутствии прямого контакта с газами и продуктом, но также, в высокой эффективности взаимодействия ЭМ излучения микроволнового диапазона с веществом, как отмечают многие авторы патентов и публикаций (см. заявку США №2008/0272114 (опубликована 06.11.2008), патенты США №№5023056 (опубликован 11.06.1991) и 6365885 (опубликован 02.04.2002), заявка Российской Федерации №2007104587 (опубликована 10.05.2009), а также публикацию "Definite experimental evidence for MW Effects", Rustum Roy et all, Mat Res Innovat (2002) 6: 128-140).

Реакторы с микроволновым нагревом используются, например, фирмой Canon (Япония), правообладателем вышеуказанного патента США №5597623, для создания тонких ювелирного качества покрытий при производстве фототехники. Но все СВЧ источники имеют к.п.д. около 60%, что не позволяет использовать их в промышленности.

В конструкции реактора кипящего слоя с микроволновым нагревом, приведенной в вышеуказанном патенте США №4900411, предпринята попытка преодолеть неравномерность микроволнового поля путем использования двух магнетронов одновременно, конфигурации полей которых ортогональны. Проблемы с необходимой микроволновой мощностью, возникшие у группы авторов вышеуказанного патента США №5382412 при масштабировании реактора, так и не удалось преодолеть.

Реакторы с микроволновым нагревом имеют ряд недостатков, мешающих их широкому промышленному применению: малую мощность источников - магнетронов; неравномерность нагрева, возникновение горячих/холодных мест, соответствующих пучностям/узлам в распределении ЭМ поля в реакторе как в объемном закрытом резонаторе, что приводит к образованию агломератов осажденных частиц; необходимость использовать для стенок реактора микроволново-прозрачные материалы, например, кварцевое стекло, которые конструктивно не функциональны (хрупкость, наличие примесей).

В вышеуказанном патенте США №7029632 были предложены реакторы кипящего слоя с источником теплового излучения в качестве нагревателя, выполненным в виде цилиндра и отличающимся более равномерным нагревом и отсутствием осаждения на стенках и агломератов. Но эффективность такого нагрева не высока (потери энергии на нагрев стенок и всей конструкции).

Авторы патентов вышеуказанных заявки и патента США №2008/0272114 и 6365885, соответственно, отмечают связь эффективности микроволнового нагрева с диэлектрическими и магнитными свойствами облучаемых материалов образцов. Они предлагают использовать для различных образцов отдельно электрическую или магнитную компоненту ЭМ поля микроволнового диапазона, что отражено в конструкции предложенной ими аппаратуры. Их данные находятся в согласии с результатами исследований, проведенных в настоящем изобретении: диэлектрики более активно взаимодействуют с электрическим полем, которое вызывает их поляризацию, в дальнейшем ионизацию и нагрев; проводники, особенно ферриты, активно нагреваются в магнитном поле.

Для устранения недостатков ряд авторов (см. вышеуказанные патент США №5023056, заявку Российской Федерации №2007/104587, патент Российской Федерации №2329196 (опубликован 20.07.2008), патенты США №№4998503 (опубликован 12.03.1991), 4532199 (опубликован 30.06.1985) и 6888094 (опубликован 03.05.2005)) предлагает совместить несколько физических механизмов нагрева: конвекционный резистивный нагрев с микроволновым облучением смеси, а также получение чистого поликристаллического или аморфного кремния в плазме микроволнового разряда. Конструкции реакторов, основанных на плазменно-микроволновых технологиях, являются экспериментальными и находятся в стадии разработки.

В вышеуказанном патенте Российской Федерации №2340551 предложен способ получения нанометрового кристаллического порошкообразного кремния полупроводникового качества из силана (или смеси кремний содержащих газов) в плазме микроволнового излучения в диапазоне 900-2500 МГц (предпочтительно 915 МГц) при избыточном давлении 10-1100 мбарн в среде водорода и инертного газа (аргона) с добавлением или без легирующего вещества. В указанном способе осаждение кремния производится в плазменной среде, из порошка SiO₂ и в среде водорода.

В вышеуказанной заявке Российской Федерации №2007104587 раскрывается сопло микроволнового плазмотрона с повышенной стабильностью факела, где микроволновый факел организован внутри кварцевой трубы-резонатора, соединенного с каналом прохождения газа. В названном решении в системе генерирования плазмы предусмотрен проводящий стержень-электрод для создания поля внутри трубы для подачи газа, одновременно являющейся СВЧ резонатором. Источником микроволнового излучения в вышеуказанной заявке №2007104587, точно также и в вышеуказанном патенте 2340551, является магнетрон. В упомянутой заявке №2007104587 для преодоления неоднородности нагрева магнетроном система генерирования плазмы содержит фазовращатель для управления фазой микроволн в СВЧ-резонаторе, представляющий собой скользящую цепь короткого замыкания. Это представляет сложный механизм, который не может работать на больших мощностях. Система генерирования плазмы в в заявке №2007104587 также содержит систему из нескольких пар магнитов вдоль трубки подачи газа, для взаимодействия микроволнового излучения с подаваемым газом, что малоэффективно, ненадежно и имеет низкий к.п.д. (60%).

Заявка США №2009/0107290 (опубликована 30.04.2009) раскрывает метод восстановления титана и других металлических оксидов до металла при использовании негорячей плазмы. Негорячая плазма используется с аргоном и водородом или какими-либо другими газами.

Для получения титана обычно используют ильменит или рутил, и методом сложных химических преобразований путем процесса Кролла руду превращают в пористый материал хлорированием руды хлорным газом с получением тетрахлорида титана. Рутил и ильменит являются оксидами титана (TiO₂ и др.). Кислород удаляется CO₂ или СО, получают бесцветную жидкость TiCl₄. Затем жидкость продолжительной дистилляцией очищается по фракциям. Очищенный продукт реагирует с магнием или натрием (одним из двух) в инертной атмосфере до получения металлической титановой губки, которая крошилась и прессовалась перед плавкой в плавильной электродной вакуумно-дуговой печи при очень высокой температуре и потреблении тепла. Сплавленный слиток весом в несколько тонн остывал в вакуумной печи. Этот стандартный Кролл-процесс в огромной степени является причиной высокой стоимости металлического титана.

В примерах заявки 2009/0107290 было продемонстрировано, что возбуждаемая микроволнами аргон-водородная плазма может восстанавливать оксиды титана до подоксидов и металла титана при относительно низких температурах в относительно короткий срок времени. Возбуждение аргон-водородной плазмы микроволнами предполагает микроволновый генератор. Как известно, к.п.д. микроволновых генераторов около 50-60%, что экономически не выгодно. Более того, учитывая большие объемы обрабатываемого ильменита, мощности существующих СВЧ генераторов не достаточны для промышленного применения. Аргон-водородная плазма дает возможность для окислительно-восстановительных реакций других минералов в различных соединениях, в том числе и ильменита или оксидов титана.

Разновидности газов: аргон-водород, СО, метан и их смеси, применяемые с плазмой, традиционны и изучены. Экономически это может быть менее выгодно, чем твердые восстановители, такие как кокс, бурый уголь, графит и другие. При этом для установок с высокой производительностью понадобится создавать водородные станции. Также нет разделения железа, его оксидов и титана после получения TiO₂ для производителей титановых белил, что требует значительных расходов на технологию разделения модифицированного ильменита. Железо и титан после обработки в аргон-водородной плазме находятся в слабо связанном состоянии и магнитной сепарацией не разделяются.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение позволяет устранить вышеперечисленные недостатки предшествующего уровня. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение степени универсализации оборудования по обработке горнорудного сырья за счет повышения эффективности фазовых преобразований в сырье с различными диэлектрическими свойствами, что позволяет многоэлементные принципы обработки сырья с широкой возможностью попутного извлечения ценных элементов из руд и хвостов в больших объемах.

Для достижения вышеуказанного результатата настоящее изобретение предлагает способ восстановления железа, восстановления кремния и восстановления диоксида титана до металлического титана путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO₂, кремнийсодержащего газа (например, SiH₄, хлорсиланов, SiCl₄) или FeTiO₃ и магнитных волн, в котором осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 10⁵÷10¹² Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO2, кремнийсодержащего газа (например, SiH₄, [kjhcbkfyjd, SiCI4) или FeTiO₃ в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 10¹÷10⁶ Гц циклической частоты, с магнитно-электрически-инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора, в среде водорода или твердых восстановителей типа уголь, кокс, графит или газообразных Н₂ и СО.

В геологической практике при описании содержания в руде каких-либо минералов принято говорить о высоких содержаниях рудных минералов или низких содержаниях по некоторым элементам. Например, если в железной руде содержание железосодержащих компонентов (например, α-Fe, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ или FeS₂) в совокупности менее 10% говорят о малом или низком содержании по железу. Можно говорить тогда о низком содержании магнитных компонент. Соответственно в этом случае будет высокое содержание по силикатам или алюмосиликатам (SiO₂, AlSiO₃, Al₂O₃, или TiO₂), являющимся диэлектриками - выше 90%. Можно говорить тогда о высоком содержании диэлектрических компонент.

Например, содержание железосодержащих компонентов в руде свыше 45%. Часть соединений железа 35% при этом будут иметь высокие магнитные свойства (например, α-Fe, Fe₃O₄), другая часть 8-10% может быть немагнитными соединениями (например, FeO, Fe₂O₃), которые при облучении в MVD намагничиваются. Это будет сырье с достаточным в целом содержанием магнитных компонентов, по которым выгодно будет проводить обогащение. Если содержание таких компонент будет выше (например, 60-80%), можно говорить о высоком содержании магнитных компонент.

Удельное содержание диэлектрических и магнитных компонент может быть квалифицированно определено только при сравнении веса отделенной магнитной и немагнитной фракций, что может быть экспериментально выполнено для образцов конкретного минерального сырья для расчета выхода, процента обогащения или расходов на переработку. В настоящем изобретении имеется в виду общая закономерность, где точные интервалы устанавливать не требуется.

В вышеуказанном способе возможно предварительное определение количественного содержания в сырье диэлектрических и магнитных элементов. Самый простой способ такого определения - провести магнитную сепарацию предварительно измельченного сыпучего материала и по весовым отношениям найти массовую долю магнитной и немагнитной (диэлектрической) фракций. Можно также провести рентгеноструктурный или спектральный анализ и, зная основные типы магнитных элементов и соединений, таких например как α-Fe и Fe₃O₄ и некоторых других ферромагнитных или антиферромагнитных материалов типа шпинелей и других, имеющих нескомпенсированный магнитный момент доменов, определить массовую долю магнитной фракции. Авторами настоящего изобретения проводились такие исследования (Колесник В.Г., Мухтарова Н.Н., Урусова и др. "Исследование влияния электромагнитного поля СВЧ диапазона на молибденовый концентрат", Цветные металлы, №12, 2001 г., стр. 99-102; Хван А.Б., Колесник В.Г., Урусова Е.В. и др. "Исследование возможности применения СВЧ поля для процессов рудоподготовки при получении золота", Горный Вестник Узбекистана, №9, 2002 г., стр. 56-59, результаты согласуются с опубликованными в литературе (Rustum Royetal. " DefiniteexperimentalevidenceforMWeffects". Mat. Res. Innovat. (2002) 6: 128-140).

При этом вышеупомянутое электромагнитное (индуктивное) взаимодействие проводят в сырье, где содержание диэлектрических элементов сырья превышает содержание магнитных элементов, с фазовым углом +φ в соответствии с соотношениями:

где W_E - энергия электрического поля; W_M - энергия магнитного поля; E ⇀ - напряженность электрического поля; H ⇀ - напряженность магнитного поля.

- дифференциал по времени. Тогда - скорость изменения энергии электрического поля со временем; - скорость изменения энергии магнитного поля со временем.

В сырье, где содержание магнитных элементов сырья превышает содержание диэлектрических элементов, индуктивное взаимодействие проводят с фазовым углом - φ в соответствии с соотношениями:

Соотношения впервые найдены в настоящем изобретении.

В вышеуказанном способе согласно настоящему изобретению возможно проведение восстановления кремния из кремнезема SiO₂, кварцитов, силана SiH₄, хлорсиланов (монохлорсилана SiH₃, дихлорсилана SiH₂Cl₂, трихлорсилана SiHCl₃) тетрахлорида кремния SiCl₄ путем получения мелкодисперсного порошка или слитка кремния Si в присутствии аргона или без него, с использованием газа водорода или хлора, при температуре 600÷1200°C, по следующим реакциям:

В вышеуказанном способе согласно настоящему изобретению возможно проведение восстановления из ильменита FeTiO₃ металлического железа α-Fe и диоксида титана TiO₂ до металлического титана в объеме петли тока с фазовым переходом Fe₂O₃→Fe₃O₄ в среде аргона или без аргона, по следующим реакциям:

Как видно из вышеизложенного, настоящее изобретение использует резонансный энергообмен в твердом теле, в газовой среде, но в отличие от предшествующего уровня в настоящем изобретении подразумевается, что нет необходимости организовывать взаимодействие частиц сырья на резонансной моде определенного типа и частоты. Природа излучения в способе по настоящему изобретению в корне отлична от магнетронного или клистронного типа природы излучения микроволновых генераторов, которое затем по запредельному волноводу канализуется в реакционную микроволновую камеру, представляющую собой закрытый объемный резонатор микроволнового диапазона, имеющий несущую моду определенного типа (ТЕ, ТЕМ). В случае настоящего изобретения волноводы и закрытый объемный резонатор отсутствуют, излучение организуется непосредственно в веществе образца, спектр частот излучения соответствует резонансным частотам материала образца, объемный резонатор открытого типа (в виде куска трубы) отсутствует, так как сжатие энергии в центр масс и экран из вращающегося бегущего магнитного поля вокруг вращающейся петли тока - плазмоида обеспечивают способ согласно настоящему изобретению без специальной конструкции камеры, в которой происходит удержание плазмы.

В способе по настоящему изобретению получение чистого поликристаллического кремния производится путем осаждения кремния из кремний содержащего порошка или газа в среде инертного газа (в частности, аргона) в электронно-ионной петле тока, генерируемой в широком, в частности микроволновом, диапазоне частот ЭМ волн резонансно. Генератором излучения в настоящем изобретении не является магнетрон, который является причиной неравномерного нагрева в микроволновом поле, создания агломератов и осаждения на стенках и сравнительно невысокого к.п.д. ЭМ волны генерируются частицами кремний содержащего газа в бегущем ЭМ поле с резонансной накачкой тока в RLC контуре, что также отсутствует в предшествующем уровне техники. Аналогично также и для FeTiO₃.

В настоящем изобретении в качестве восстановителя используются твердые углерод содержащие вещества: графит, бурый уголь, кокс. Установка в своем составе имеет генератор СО, где предварительно получают СО для окислительно-восстановительных преобразований. Рабочая смесь поляризуется, подогревается в первом каскаде MVD облучения, затем во втором каскаде в резонансном режиме разогревается до 900°C. Сырье подается в реактор в смеси с окислителем и медленно продвигается в потоке через резонансную область реактора. Окислительно-восстановительные преобразования и фазовый переход Fe₂O_3→Fe₃O₄ организуются резонансно в бегущем магнитном поле петли тока, которые в предшествующем уровне отсутствуют. Нет резонансного взаимодействия, которое позволяет измельчать и осуществлять фазовый переход с малыми потреблениями электроэнергии.

В способе согласно настоящего изобретения, в отсутствии магнетрона в качестве генератора микроволнового излучения, генератором резонансного излучения широкого, в частности, микроволнового диапазона, являются ионизованные атомы и молекулы самого нагреваемого вещества - смеси шихты, находящихся при этом в бегущем магнитном поле. Бегущее поле (магнитное) в петле тока электронов и ионов создает ионизацию и, как следствие, генерацию СВЧ поля большой мощности в замкнутом объеме петли тока с к.п.д. 96% в отличие от предшествующего с к.п.д. 50%. Электронно-ионная петля тока, образованная непосредственно в облучаемой шихте (сырье), бегущее магнитное поле и петля тока в технологиях предшествующего уровня отсутствуют, в котором, как уже сказано выше, имеется низкий к.п.д. (приблизительно 50%).

В настоящем изобретении взаимодействия магнитных, электрических вращающихся волн со сгустком заряженных частиц, рожденным в потенциальном электростатическом поле в режиме параметрического и магнитного резонансов, используются с целью получения магнитной накачки и удержания энергии в бегущем магнитном поле. В качестве механизма магнитной накачки энергии используется резонансное усиление ЭМ волн с магнитно-инерционным удержанием сгустка заряженных частиц, чего нет в предшествующем уровне техники. В предшествующем уровне нет магнитной накачки как таковой.

Накачку энергии осуществляют в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах. Здесь присутствуют два уровня частот: первый - циклическая частота, определяемая резонансной частотой контуров питающей системы в диапазоне (10¹ 10⁶) Гц; второй уровень - высокая модулирующая частота, определяемая резонансными частотами материала сырья в диапазоне (10⁵ 10¹²) Гц и более. Происходит индуктивное взаимодействие частиц сырья, окруженных бегущими магнитными и электрическими волнами с круговой или эллиптической поляризацией, с этими волнами. Параметры волн (частота, скорость, напряженности магнитного и электрического полей) определяются как параметрами питающей системы (циклическая частота, энергия), так и параметрами вращающихся заряженных частиц сырья (модуляция на высоких резонансных частотах сырья). Взаимодействие происходит в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока, образованной множественными малыми вихрями частиц типа ротора - вращающейся материи. Тогда магнитные и электрические волны как поле можно условно рассматривать аналогично статору - неподвижной части. Электродвигатели, имеющие ротор и статор, преобразуют энергию одного вида в энергию другого вида или в электричество. Аналогия ротор-статор здесь используется в смысле генератора энергии взаимодействия частиц и волн. Взаимодействие это происходит на уровне размеров частиц сырья, молекул, ионов, электронов, длин волн. Поэтому можно считать систему "ЭМ волна - сгусток заряженных частиц" микрогенератором или квантовым генератором.

Описанная система или петля тока удерживается магнитным и электрическим совокупным полем (сформированным питающей системой - скрещенные поля, плюс поле волн вокруг частиц) в центре масс устройства (реактора), т.е. инерционно. Поэтому можно говорить о магнитно-электрически инерционном удержании системы. Термин "магнитно-инерционное" удержание обычно используется для устройств ядерного синтеза и имеет смысл удержания в заданном объеме плазменного сгустка, тора или шнура.

В настоящем изобретении термин "магнитно-инерционное удержание" обозначает физические механизмы магнитного сжатия и инерционного вращения магнитной энергии и частиц сырья или микро и макро частиц. Понятия "удерживать", "сжимать", "аккумулировать" - условные, так в настоящем изобретении названы замкнутые механизмы вращения энергии по спирали к центру с изменением частоты и фазы для частиц, магнитных и электрических волн и их комбинаций.

Для восстановления металлов, находящихся в разрушенной кристаллической решетке сырья, необходимо применить восстановители. Классическим восстановителем для кремния является водород, для железосодержащих минералов, таких как ильменит, могут быть газообразные СО, CO₂ или дешевые твердые восстановители - уголь, кокс, графит, которые использованы в осуществлении способа по настоящему изобретению.

Самосогласованное, резонансное состояние в системе "ЭМ волна - сгусток заряженных частиц" рассматривается как устойчивое состояние, названное "магнитным V диполем" (в сокращении - MVD).

Магнитный диполь - система из двух "магнитных зарядов", которые до сих пор не найдены, носителями магнитного поля являются движущиеся электрические заряды. Понятие магнитного диполя определяется как магнитный момент системы токов. В простейшем случае магнитный диполь аналогичен витку с током в магнитном поле, которое стремится сориентировать виток так, чтобы его магнитный момент был направлен по полю. На взаимодействии магнитного диполя с магнитным полем основано разделение частиц с различными магнитными моментами: атомных ядер, атомов, молекул. Чем больше магнитный момент частицы, тем больше магнитное поле изменяет ее траекторию. В данном случае существование магнитного диполя подтверждается вращением сгустка частиц - петли тока. Для отличия от других диполей была добавлена буква V в название наблюдаемого состояния и устройства. Аббревиатура на латинице для авторов настоящего изобретения предпочтительна.

Ниже приводятся примеры, подтверждающих такое состояние.

Настоящее изобретение посвящено исследованиям самосогласованных, резонансных состояний "магнитная волна - сгусток заряженных частиц" в электростатическом поле. Получено непрерывное удержание магнитной энергии. В предшествующем уровне, в вышеуказанном патенте Узбекистана № IAP 03701 на "Способ получения ядерной энергии" изложена теоретическая и практическая сущности получения ядерной энергии. Из описания этого патента понятно, что способы получения ядерной энергии могут быть использованы для молекулярных преобразований на уровне кристаллической решетки минералов, которыми являются SiO₂, FeTiO₃ и другие.

В настоящем изобретении рассматривается комплекс электрофизических преобразований, электрических, магнитных, касающихся энергопреобразований совместно с частицами вещества на молекулярном уровне. Настоящее изобретение является практическим применением в промышленности ряда исследований в совершенно новом качестве, в новых, управляемых режимах магнитных и электрических преобразований в магнитных волнах и веществе.

Преобразования энергии объединены в единую магнитно-электрически инерционную систему в осцилляторно-вращательной модели. Вращающийся осциллятор имеет две инерциальные системы, которые условно разделены границей. Механизмы преобразований ЭМ поля представлены дифференциальными уравнениями. Выводы настоящего изобретения построены на классической электродинамической концепции поля (уравнениях Максвелла, Гельмгольца, Гамильтона-Якоби, преобразованиях Лоренца), что позволяет в динамике осуществить эффект взаимодействия волна - частица. При определенном соотношении напряженностей электрической и магнитной энергий (фазовом угле φ), устанавливающемся в MVD, становится возможным осуществить магнитную накачку и удержание сгустка заряженных частиц без ограничения во времени. Сгусток частиц в этом случае находится в состоянии стабильного осцилляторно-вращательного движения в соответствии с эмпирически полученным соотношением:

E_частиц~CU²/2~nmc²~nhv, где С - емкость резонансного контура, Ф (F); U - напряжение в нем, В (V); m - масса ионизованных частиц, кг; с - скорость света, с=3×10⁸ м/с (m/s); v - резонансная частота частицы-волны, Гц (Hz); h - постоянная Планка, h=6.6260755×10^-34Дж•с (J•s); n - количество ионизованных частиц. Соотношение связывает квантово-волновые и электротехнические параметры системы: энергию частиц Е=nmc², энергию в колебательном контуре Е=CU₂/2 и энергию ЭМ волны, возбуждаемой в резонансной системе Е=nhv.

В настоящем изобретении предлагается соверш